动态力学载荷对超细镀金钼丝力学与电学性能的影响

李建娜，陈 玺，邵慧奇,3，邵光伟,3，蒋金华,3，陈南梁,3

(1.东华大学 产业用纺织品教育部工程研究中心，上海 201620；2.东华大学 纺织学院，上海 201620；3.东华大学 纺织科技创新中心，上海 201620)

极细金属丝纱线具有良好的韧性、弹性和优异的电磁性能[1-2]，在航天领域和日常生活中应用广泛，并且由于其环保和可重复使用性，一直是纺织工程领域的科研热点。其中，镀金钼丝纱线具有优良且稳定的电导率及电磁性能，被广泛作为可展开天线反射面金属网的编织原料，参与后续织造工艺。

经编工艺是用金属丝制备编织物的重要编织工艺之一。金属丝在经编编织过程中要经多个金属编织部件及非金属导纱部件表面且编织过程包含多种拉伸、弯曲和摩擦作用力[3]。金属丝纱线耐受编织部件循环弯曲和往复摩擦作用的能力是影响其可编织性能的重要因素；而耐弯曲和摩擦性能大都取决于纱线本身材料特性和纱线结构设计，通过控制纱线结构参数和部件编织参数[4]，可实现对纱线可编织性的综合控制。因此研究纱线的循环弯曲和往复摩擦稳定性是纱线可编织性的关键内容。

在纱线织造过程中，其能否在织机上顺利编织是一个关键问题，因此有必要在上机前对纱线的可编织性进行评估。然而，在纱线可编织性评估方面，既无统一的评价标准，也无具体的指标范围[5]，有必要对其进行深入研究，拓宽纱线可编织性数据库。目前对纱线在织造过程中力学稳定性的系统性和关键性研究较少，大量研究人员是对纱线的静态力学性能进行过较为深入的研究。Iqbal等[6]研究了 5种传统纱线在针织加工中的力学变化和表面损伤。陈南梁等[7-8]对高性能纱线的可编织性进行了较全面的探究，基于纱线的结构，为每种纱线设计了特定的编织方式，并提出了可编织性的表征方式[9]。徐海燕等[10]测试了镀金钼丝纱线静态弯曲性能，并得出纱线的弯曲刚度与单丝的线密度成正比的结论。目前的工作大都集中于编织过程中静态力学性能的研究，为更全面地分析纱线的可编织性，需要探究纱线在弯曲循环过程中的刚度演变以及往复摩擦对表观形态、力学性能和电学性能影响。

本文根据针织编织过程中对镀金钼丝的要求，设计循环弯曲测试与往复摩擦测试，综合实验数据和理论分析，研究镀金钼丝纱线在弯曲循环和摩擦往复加载过程中的力学和电学损伤机制，探究纱线结构-循环载荷-纱线性能的关系。

1 实验部分

1.1 实验材料

图1示出3种镀金钼丝纱线结构示意图。单丝直径为28 μm，其中镀金层厚度为1 μm，双股和三股纱线由相应数量的单丝通过TU-4型并线机(常州凡微电工科技有限公司)绞合而成。基于之前对绞纱可编织性的研究[11]，本文选用绞距为4.5 mm的双股和三股纱线。纱线由成都虹波实业股份有限公司提供。

图1 3种镀金钼丝纱线结构示意图

1.2 循环弯曲测试

参照YB/T 5349—2014《金属材料 弯曲力学性能试验方法》，在E42.503型万能材料试验机(美国美特斯工业有限公司)上对镀金钼丝进行循环三点弯曲测试，如图2所示。

图2 循环弯曲测试示意图

设定恒定加载速度V为1 mm/s，2支承辊的间隔设为18 mm，用应变控制方法对镀金钼丝纱线施加50个循环弯曲载荷，应用规律交变位移(位移振幅为0～±3 mm)完成弯曲循环实验。为评估镀金钼丝在循环弯曲过程中的受损情况，采用能量分析法进行研究。假设循环弯曲实验过程中，纱线与外界无热量交换，按照能量守恒定律，纱线的能量之间的关系[12]为

U=Ue+Ud

(1)

式中：U为总应变能，mJ；Ue为弹性应变能，mJ；Ud为耗散能，mJ。

纱线在每次循环弯曲载荷中的刚度降低和不可逆结构响应特性用能量耗散率u来定义：

(2)

1.3 往复摩擦测试

考虑到纱线的具体编织工况，为对上机过程中纱线的摩擦情况进行尽量准确的模拟，获得纱线在织造过程中的摩擦稳定性，专门设计了一款摩擦设备，如图3所示。其中摩擦测试工作段舌针直径为1.74 mm。在往复摩擦测试过程中，电动机加载转速设为50 r/min，试样张力设为5 cN，摩擦测试往复次数设为200。

图3 往复摩擦加载设备示意图

1.4 力学性能测试

参照ASTM D2256—2002《使用单链法测定纱线拉伸性能的标准试验方法》，采用万能材料试验机测试镀金钼丝纱线摩擦前后的拉伸力学性能。拉伸速率为50 mm/min，初始隔距为250 mm。每种试样测试5次，剔除异常值，求取平均值，并计算标准差。

对弯曲循环前后的镀金钼丝纱线进行了弯曲刚度计算，见下式：

(3)

式中：B为弯曲刚度，cN·mm2；w为弯曲挠度，mm；F为弯曲挠度为3 mm处的弯曲载荷力，cN；n为试样中的金属丝根数；L为2个支承辊间的跨距，mm。

镀金钼丝循环弯曲后的弯曲刚度损耗率[13]计算公式见下式：

(4)

式中：η为循环弯曲后的弯曲刚度损耗率，%；B0与Bc分别对应第1个弯曲周期与第50个弯曲周期内的弯曲刚度，cN·mm2。

1.5 外观形貌观察

为对比镀金钼丝在承受往复摩擦载荷前后的形貌特点，采用SAPO型体视显微镜(新加坡徕卡微系统公司)观察宏观形貌，用Hitachi SU8000型场发射扫描电镜(日本日立有限公司)观察微观形貌，并对金属丝的表面的元素进行定量和定性分析。

1.6 接触电阻测试

图4示出接触电阻测试设备示意图。使用绝缘塑料板(10 cm ×10 cm)作为测试基底，将未摩擦的单股镀金钼丝作为标定金属丝，选取摩擦前后的单股、双股和三股镀金钼丝作为待测金属丝，将标定金属丝和待测金属丝交叉固定于测试基底上，并在上方辅以50 cN的压力，确保两金属丝在接触点处接触良好，借助导电银浆将两金属丝与34460A数字万用表(马来西亚是德科技公司)的红黑表笔连接，测试金属丝的接触电阻。每种规格的金属丝测量10次，取平均值。值得注意的是，在测试摩擦后镀金钼丝的接触电阻时，应将摩擦区域的纱线与标定金属丝接触。

图4 接触电阻测试设备示意图

2 结果与讨论

2.1 循环弯曲性能分析

图5 循环弯曲加载分析

2.1.1 弯曲刚度损耗率分析

镀金钼丝纱线弯曲循环过程中的F-w曲线与弯曲刚度损耗率曲线如图6、7所示。镀金钼丝纱线在循环弯曲加载作用下，每个循环周期内的弯曲曲线显示为闭合环，即弯曲滞后圈，因此该纱线表现为弹塑性。由滞后圈可知，镀金钼丝纱线在三点弯曲循环载荷下发生不可逆的结构响应，这是由其加捻结构和本身物理性质所决定的。根据实验结果，分析镀金钼丝纱线在循环加载过程中的力学响应和结构响应行为，将循环弯曲加载中的纱线结构响应分为2个步骤：在加载初期，镀金钼丝纱线整体性良好，有效利用单丝间摩擦力矩，并且纱线发生弹性变形；由于弯曲点处的应力集中，纱线出现塑性变形以及结构的调整，导致纱线弯曲刚度下降。

图6 镀金钼丝纱线循环弯曲载荷-弯曲挠度曲线

一般来说，材料的抗弯曲疲劳性能与曲线重合度成正比[14]。测试结果表明，虽然3种镀金钼丝的弯曲曲线在50个循环周期内大致重合，但是弯曲循环后镀金钼丝的弯曲刚度略有损耗，单股、双股和三股金属丝的弯曲刚度损耗率分别为4.05%、7.12%、6.00%(见图7)。双股金属丝的损耗率大于单股和三股金属丝的弯曲刚度损耗率，这也证实了其弯曲曲线重合度较低的现象。从纱线结构角度上进行分析可知，多股金属丝在弯曲点处处于部分单丝滑移状态，而内部摩擦力是纱线滑移的阻碍，相比于其他2种镀金钼丝，双股镀金钼丝中内部单丝间结构保持率较低，结构稳定性较差，从而弯曲稳定性较差。

图7 镀金钼丝纱线弯曲刚度损失

2.1.2 能量损耗分析

基于弹塑性变形理论，采用能量分析法定义纱线的破坏，比较不同单丝股数的镀金钼丝的动态能量耗散情况，反映出纱线的刚度下降和结构响应情况。总应变能U是弯曲加载曲线下方的面积，表示循环载荷对纱线做的总功；弹性应变能Ue是弯曲卸载曲线下方的面积，是总功储存于纱线中的可逆能量，表示纱线的弹性变形；耗散能Ud是弯曲加载曲线与弯曲卸载曲线间的面积，代表纱线塑性变形及不可逆结构响应所消耗的能量。

每个加载-卸载循环的总应变能、弹性应变能、耗散能和耗散率如图8所示。由图8(a)可知，在循环加载过程中，单股、双股和三股镀金钼丝的总应变能均随着循环加载次数的增加而减小并慢慢趋于稳定，其中总应变能与单丝股数成正比。

图8 镀金钼丝纱线在循环弯曲载荷下的能量耗散分析

单股、双股和三股镀金钼丝纱线的弹性应变能变化规律相同，都是在50个循环内逐步衰退，如图8(b)所示。对应于纱线的弹性在循环内逐渐下降，解释了循环前后弯曲刚度损耗的现象。弹性应变能的持续减小源于2个方面：一是在施力辊作用下，一部分纱线塑性变形，发生耗散能的积累；二是纱线在应力集中效应的作用下，结构保持率发生变化。另外，从能量曲线可看出，随着弯曲循环数增加，纱线弹性应变能的衰退速度变小，这可能是由于镀金钼丝纱线在加载初期的结构响应比较强烈，而纱线在弯曲加载过程中结构响应趋于稳定。

纱线的耗散能导致其力学性能在循环载荷过程中出现连续退化，因此用加载过程中的耗散能描述纱线在循环加载过程中的刚度损耗程度。在循环弯曲载荷作用下，为适应弯曲循环加载，纱线外部发生加捻结构调整，内部单丝结构出现内应力屈服，因此一部分应变能转变成了耗散能。

但这种说法增加了人们的恐慌，越来越多的人涌入医院，坚称自己头痛恶心，绝对是吃了胶囊中了毒，搞得医院乱成一团。尽管警方和医院竭力声明被污染的只有泰诺速效胶囊这一种药物，但人们却对所有的泰诺产品敬而远之。一时间，“泰诺”名声扫地，迈克耐尔公司濒于崩溃。

双股和三股镀金钼丝的耗散率接近，均大于单股镀金钼丝，其中双股镀金钼丝的耗散率略大，这与之前的弯曲曲线重合度低和弯曲刚度损耗率高的结果相一致。在弯曲循环过程中，纱线结构响应由外向内扩展，这些变化主要是由于外部弯曲应力-内部单纱摩擦力-两端张力耦合作用。由于在双股镀金钼丝弯曲受载方向存在着单丝间互相滑移的极大可能，这种不稳定结构使双股纱线在循环弯曲载荷下的刚度利用率最小，因此双股镀金钼丝纱线在循环弯曲过程中具有较高的能量耗散率。

2.2 往复摩擦性能分析

200次往复摩擦加载后，记录分析镀金钼丝纱线的宏观力学性能和电学性能以及微观表面形貌，研究金属丝编织加工过程中的往复摩擦稳定性能。

2.2.1 摩擦前后表观形貌分析

用显微成像技术检测纱线在往复载荷下的形貌损伤程度，200次往复摩擦前后镀金钼丝纱线的表观形貌如图9所示。图9(a)示出摩擦前纱线的宏观纱线表面形貌，图9(b)示出摩擦后纱线的表观形貌。可见，由于在两端有张力的情况下，摩擦点处的纱线仍为弯曲状态，推测纱线在摩擦载荷作用下发生塑性变形。图9(c)示出纱线摩擦前的微观表面形貌，可见纱线表面镀层均匀且无划痕。图9(d)示出纱线摩擦后的微观表面形貌，可见纱线镀金层有明显刮痕，由扫描电镜放大照片可知，往复摩擦后的双股镀金钼丝表面出现大量镀层剥落。通过场发射扫描电子显微镜对摩擦前后的镀金钼丝表面进行能谱元素分析，Au元素分析结果见表1所示。摩擦后纱线表面的Au元素占比均下降，其中摩擦后的双股镀金钼丝的Au元素损耗率大于另外2种镀金钼丝，说明双股纱线表面的金镀层损伤更为严重，该能谱元素分析结果与上述扫描电子显微镜照片中镀层观测结果一致。

表1 镀金钼丝摩擦前后Au元素

注：1#、2#、3#分别为单股、双股和三股金属丝。

对照图中镀金层损伤形貌推断，在往复摩擦加载过程中，与钩针接触的纱线产生应力集中，钩针对纱线的摩擦区成为塑性变形和断裂强度下降的重点区域，镀金钼丝纱线的摩擦损伤模式表现为钩针接触区的镀金层破坏、单丝塑性变形和纱线结构变化，纱线的结构整体性下降。纱线在往复摩擦加载初期，损伤主要出现于镀金层，随着加载的增加，损伤表现为纱线结构的变化和单丝的塑性变形，由此可见镀金钼丝纱线的破坏由外向内扩展。

2.2.2 摩擦前后拉伸性能分析

采用针钩模拟法对镀金钼丝试样施加往复摩擦载荷，对摩擦前后的金属丝进行拉伸测试，从中得出断裂强力和断裂伸长，计算纱线断裂强度和断裂伸长率，并对摩擦200次前后的拉伸数据进行比较，得出断裂强度损耗率和断裂伸长损耗率。往复摩擦前后镀金钼丝纱线的拉伸性能如图10所示。

图10 镀金钼丝纱线在往复摩擦作用前后的拉伸性能

往复摩擦载荷加载后，镀金钼丝的断裂强度均有损耗，单股、双股和三股镀金钼丝的断裂强度分别降低了约12.57%、25.65%和24.58%，这是由于往复摩擦作用力使得金属丝达到屈服极限，纱线发生塑性变形。断裂伸长是由于拉伸使倾斜的单丝沿轴向转动和单丝的滑移，可用于表示纱线的拉伸变形能力。200次往复摩擦作用后，镀金钼丝的断裂伸长率分别明显下降，单股、双股和三股镀金钼丝的断裂伸长率降低了42.31%、66.59%和32.51%，表明摩擦后的金属丝存在弱节，拉伸变形能力变弱。其中单股镀金钼丝的断裂强度和断裂伸长损耗最小，是3种结构纱线中摩擦稳定性最好的，可用于上机织造，但由于其强度较低，需要对上机参数进行特别调整。双股镀金钼丝的强度和伸长率下降明显，力学稳定性最差，不适合上机织造。而三股镀金钼丝的断裂强度和断裂伸长率均优于单股镀金钼丝，且性能损耗没有双股镀金钼丝那么大。综合考虑，单股和三股镀金钼丝纱线在往复摩擦后的力学性能较稳定，可用于后期织造。

2.2.3 摩擦前后电学性能分析

为揭示表面金镀层在往复摩擦加载后的表面损伤行为及往复摩擦对后续织物电磁屏蔽性能的影响，应用界面接触法，采用自制的实验设备测试镀金钼丝纱线摩擦前后的接触电阻，其结果如表2所示。

表2 镀金钼丝纱线摩擦前后接触电阻

往复摩擦后的镀金钼丝的接触电阻增大了3.04%、5.33%和6.21%。这是因为针钩接触纱线作持续性往复运动，使得接触区纱线的镀金层刮痕明显，导致镀金钼丝的接触电阻增大。值得注意的是，往复摩擦后镀金钼丝的接触电阻增幅并不大，这可能是由于金属丝的直径仅为27 μm，即标定金属丝和待测金属丝的接触面很小，所以电阻增长不明显，但是该研究也表明镀金钼丝在往复摩擦后表面镀金层损伤以及织造过程中的往复摩擦作用对其后续织物的力、电性能有影响。

3 结 论

本文研究对镀金钼丝纱线进行弯曲应力循环和摩擦应力往复加载-卸载测试，基于弹塑性变形和能量分析理论，探索纱线的动态力学响应和结构响应行为，结合实验结果和理论分析选择适合上机织造的纱线结构。

在弯曲循环载荷下，镀金钼丝出现塑性变形和不可逆结构响应，存在弯曲刚度损耗行为。另外，在往复摩擦载荷下，镀金钼丝的破坏模式表现为由外向内的镀层损伤、纱线结构不可逆响应和单丝塑性变形，镀金钼丝基本性能在往复摩擦载荷作用下存在明显损耗。

相比于双股镀金钼丝，单股和三股镀金钼丝动态力学响应较稳定，基本性能损耗及能量耗散率低，能达到稳定织造的要求，更适宜用作电磁屏蔽织物的原材料。考虑到单股镀金钼丝强度较低，需要对上机参数进行特别调整，因此三股镀金钼丝上机织造可操作性更高。

本文研究有助于进一步理解镀金钼丝纱线在循环和往复载荷加载下的力学性能降低与结构破坏机制，可用于纱线在可编织研究领域中的细观和宏观结构优化设计，为镀金钼丝纱线的可编织性仿真模拟提供数据支持，丰富镀金钼丝纱线可编织性仿真数据库。